Forskere har udviklet en platform til at samle nanosiserede materialekomponenter eller "nano-objekter" af meget forskellige typer-uorganisk eller organisk-til ønskede 3D-strukturer. Selvom selvmontering (SA) med succes er blevet brugt til at organisere nanomaterialer af flere slags, har processen været ekstremt systemspecifik, hvilket genererer forskellige strukturer baseret på materialernes iboende egenskaber. Som rapporteret i et papir, der er offentliggjort i dag i Nature Materials, kan deres nye DNA-programmerbare nanofabrikationsplatform anvendes til at organisere en række 3D-materialer på de samme foreskrevne måder på nanoskalaen (milliarder af en meter), hvor unikke optiske, kemiske og andre egenskaber dukker op.
"En af de vigtigste grunde til, at SA ikke er en teknik, der er valgt til praktiske anvendelser, er, at den samme SA-proces ikke kan anvendes på tværs af en bred vifte af materialer for at skabe identiske 3-D-bestilte arrays fra forskellige nanokomponenter," forklarede tilsvarende forfatter Oleg Gang, leder af Soft and Bio Nanomaterials Group i Center for Funktionelle nanomateriale (CFN)-en US Department of Energy (DOE) Office of Science Materials Facility Laboratorium - og en professor i kemiteknik og anvendt fysik og materialevidenskab ved Columbia Engineering. "Her afkoblede vi SA-processen fra materialegenskaber ved at designe stive polyhedrale DNA-rammer, der kan indkapsle forskellige uorganiske eller organiske nano-objekter, herunder metaller, halvledere og endda proteiner og enzymer."
Forskerne konstruerede syntetiske DNA -rammer i form af en terning, octahedron og tetrahedron. Inde i rammerne er DNA "arme", som kun nano-objekter med den komplementære DNA-sekvens kan binde til. Disse materielle voxels-integrationen af DNA-rammen og nano-objekt-er de byggesten, hvorfra makroskala 3D-strukturer kan foretages. Rammerne forbinder til hinanden uanset hvilken slags nano-objekt der er inde (eller ikke) i henhold til de komplementære sekvenser, de er kodet med på deres vertikater. Afhængig af deres form har rammer et andet antal vertices og danner således helt forskellige strukturer. Eventuelle nano-objekter, der er vært inde i rammerne, tager den specifikke rammestruktur.
For at demonstrere deres samlingsmetode valgte forskerne metalliske (guld) og halvledende (cadmium selenid) nanopartikler og et bakterieprotein (streptavidin) som de uorganiske og organiske nano-objekter, der skal placeres inde i DNA-rammerne. Først bekræftede de integriteten af DNA -rammer og dannelse af materielle voxels ved billeddannelse med elektronmikroskoper ved CFN -elektronmikroskopi og Van Andel Institute, som har en pakke instrumenter, der fungerer ved kryogene temperaturer til biologiske prøver. De undersøgte derefter 3D-gitterstrukturer ved de sammenhængende hårde røntgenstrålespredning og komplekse materialer, der spredte strålelinjer i National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et andet DOE-kontor for videnskabsbrugerfacilitet på Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky-professor i kemiteknik Sanat Kumar og hans gruppe udførte beregningsmodellering, der afslørede, at de eksperimentelt observerede gitterstrukturer (baseret på røntgenstrålingsspredningsmønstre) var de mest termodynamisk stabile, som de materielle voxels kunne danne.
"Disse materielle voxels giver os mulighed for at begynde at bruge ideer, der stammer fra atomer (og molekyler) og de krystaller, de danner, og port denne enorme viden og database til systemer af interesse i nanoskalaen," forklarede Kumar.
Gang's studerende i Columbia demonstrerede derefter, hvordan samleplatformen kunne bruges til at drive organiseringen af to forskellige slags materialer med kemiske og optiske funktioner. I et tilfælde samlede de to enzymer, der skabte 3-D-arrays med en høj pakningstæthed. Selvom enzymerne forblev kemisk uændrede, viste de omkring en firedoblet stigning i enzymatisk aktivitet. Disse "nanoreaktorer" kunne bruges til at manipulere cascade -reaktioner og muliggøre fremstilling af kemisk aktive materialer. Til den optiske materialedemonstration blandede de to forskellige farver af kvanteprikker - små nanokrystaller, der bruges til at lave tv -skærme med høj farve mætning og lysstyrke. Billeder taget med et fluorescensmikroskop viste, at det dannede gitter opretholdt farvens renhed under diffraktionsgrænsen (bølgelængde) af lys; Denne egenskab kan give mulighed for en betydelig forbedring af opløsning i forskellige display- og optiske kommunikationsteknologier.
"Vi er nødt til at overveje, hvordan materialer kan dannes, og hvordan de fungerer," sagde Gang. "Materiale redesign er muligvis ikke nødvendig; blot at pakke eksisterende materialer på nye måder kunne forbedre deres egenskaber. Potentielt kunne vores platform være en muliggør teknologi 'ud over 3-D-udskrivning' til at kontrollere materialer i meget mindre skalaer og med større materiale varier og designet kompositioner. Brug af den samme tilgang til form 3-D-ledninger fra ønskede nano-objekter af forskellige materielle klasserne, der integrerer dem, der ellers ville være betragtet Nanomransproduktion. "
Materialer leveret af DOE/Brookhaven National Laboratory. Bemærk: Indhold kan redigeres til stil og længde.
Få de nyeste videnskabsnyheder med ScienceDailys gratis e -mail -nyhedsbreve, opdateret dagligt og ugentligt. Eller se times opdaterede nyhedsfeeds i din RSS -læser:
Fortæl os, hvad du synes om ScienceDaily - vi glæder os over både positive og negative kommentarer. Har du problemer med at bruge webstedet? Spørgsmål?
Posttid: Jan-14-2020